国内の共同研究チームが、電気自動車とエネルギー貯蔵システム（ESS）の中核部品であるリチウムイオン電池の火災・熱暴走リスクを大幅に低減する電解質技術を開発した。
慶北大学は21日、オ・ジミン未来モビリティ工学科教授チームがこの技術を開発したと発表した。ソ・ドンファKAIST新素材工学科教授チームと韓国電子通信研究院（ETRI）のイ・ミョンジュ博士チームが共同研究に参加した。高エネルギー密度と火災安全性を同時に確保する難燃性電解質設計技術である。
リチウムイオン電池はエネルギー密度が高い一方で、火災と熱暴走のリスクが弱点として指摘されてきた。高性能電気自動車向けの高ニッケル正極電池は、厳しい走行環境で火災の可能性が高まり、安全性確保が必須課題とされている。
高ニッケル正極は、ニッケル比率を高めて同じサイズにより多くのエネルギーを蓄える素材だ。電気自動車の航続距離を伸ばすのに有利だが、ニッケル比率が高くなるほど構造が不安定になり、火災リスクもともに高まるという相反関係がある。より多くのエネルギーを詰め込もうとするほど、安全性が脅かされる構造というわけだ。
熱暴走の主因は酸素…発火原因物質を制御した
熱暴走とは、電池内部の温度が急激に上昇し、化学反応が連鎖的に続く現象を指す。反応に必要な物質が電池内で供給され続けるため、外部から炎を抑えても内部反応が続いてしまい、鎮圧が難しいとされてきた。
水や消火薬剤でバッテリー火災を抑えにくい理由もここにある。酸素が電池内部で自ら供給される限り、外部から遮断するだけでは反応を止めにくいからだ。消火設備を増やす対策とは別に、酸素発生そのものを抑える素材レベルの解決策が求められてきた背景がある。
研究チームは、熱暴走の主因である酸素発生を抑えるメカニズムを解明した。充電時に正極材から出る有害な酸素を、自社開発の難燃性添加剤「P2PFS」が捕捉し、安定した物質に変換する原理だ。着火の燃料となる物質を事前に取り除き、火が起こる条件そのものを断つ方式といえる。示差走査熱量計（DSC）と質量分析計（MS）の試験でも、電池内の酸素発生が抑制されることが実験的に確認された。
これまでの安全対策の多くは、熱を下げたり炎の拡散を遅らせたりする事後対応に重点を置いていたが、今回の技術は、火が付く化学的原因を電池内部で取り除くという点で差別化されると評価されている。事故後の被害軽減ではなく、事故そのものが始まらないよう設計段階で手を加えたのだ。
性能を落とさず…200回の充放電後も83％維持
研究チームは、既存の電解質に広く使われ単価面で有利なフッ素系添加剤（FEC）にP2PFSを最適比率で混合し、電池寿命の低下がない不燃性電解質システムを設計した。
新しい電解質は、着火遅延能力を評価する燃焼試験で、着火持続時間を従来より半分以下に短縮した。炎にさらされてもほとんど燃えない、不燃性に近い特性を示した。
性能検証は、最も不安定な条件で行われた。研究チームは、高温・高電圧環境で構造が非常に不安定になる高ニッケル正極（NCM955）リチウム電池に新電解質を適用した。過酷な動作条件でも電解質は破壊されず、正極表面を安定的に保護し、200回以上の急速な充放電を繰り返した後でも初期容量の83％以上を維持した。
FECを基盤とした点は、コスト面で合理的とみられる。電解質全体を新素材に置き換えるのではなく、すでに広く使われている添加剤に難燃性添加剤を混ぜる方式のため、材料調達や工程変更の負担が比較的小さいという分析だ。
バッテリー業界では、難燃成分を加えると性能が低下するというトレードオフが、これまで商用化の壁とされてきた。安全性と性能の両立を実現した今回の結果は、その通念に反例を示したと評価される背景となっている。
釘を刺しても49度…商用化のハードルを下げた設計
研究チームは、この技術を実際の商用製品規格である1Ah級の中大型パウチセルに適用し、実証にも成功した。大容量バッテリー環境で750回以上充放電した後でも、初期容量の85.2％を維持した。完全充電した電池に釘を刺す貫通試験でも、火災や爆発なく最高温度を49度程度に制御した。
1Ah級パウチセルは、実験室で使う小型コインセルとは異なり、実製品に準じた規格だ。素材段階での成果がセル単位でも再現されることを示した実証という点で、論文上の技術と量産技術の間のギャップを縮めた結果と評価される。
貫通試験は、内部短絡という最悪の事故状況を人工的に作り出す検証方法である。実験室用の小型セルではなく、商用規格セルでこの条件をクリアしたことが、実用化の可能性を裏付ける要素として挙げられる。
既存の安価な素材を基盤に設計されているため、生産工程を大きく変えずに適用でき、商用化の可能性が高いとの評価も出ている。
オ教授は今回の研究について、難燃添加剤の開発にとどまらず、「電池内部の酸素反応を制御する熱力学的設計原理を提示した研究」と説明した。また、「電気自動車、ESS、ロボット、ドローン、将来航空モビリティなど、高い安全性が求められる多様な分野に適用できる次世代電解質設計プラットフォームとして活用できるだろう」と期待を示した。
残る課題は検証の拡大だ。研究チームも今後、実際の適用可能性を検証していく方針を示しており、量産規模のセルや多様な温度・運用条件で同じ結果が再現されるかが商用化の鍵となる見通しだ。
今回の研究は、韓国研究財団（NRF）と韓国産業技術企画評価院（KEIT）の支援を受けて実施され、研究成果は材料科学分野の国際学術誌「スモール（Small）」にオンライン掲載された。共著責任著者はオ教授とソ教授で、第一著者はイ博士とKAISTのシン・ウクソン研究員である。
消費者や施設運営者の観点では、この技術の意味は事故確率そのものを下げる点にあるとの解釈が出ている。地下駐車場での充電や大規模ESSの運用のように、火災時の被害が大きくなりやすい環境ほど、発火原因を遮断する設計の効用が大きいというわけだ。
電気自動車とESSの火災不安が普及拡大の足かせとされてきたなかで、発火原因を設計段階で制御する今回のアプローチが、バッテリー安全基準の方向性を変えうるか注目が集まっている。